Anordnung der Wassermoleküle an Grenzflächen entschlüsselt

Forschende der Abteilung Physikalische Chemie am Fritz-Haber-Institut und der Freien Universität Berlin machen die Anordnung von Wassermolekülen an der Grenzfläche von flüssigem Wasser zu Luft sichtbar. Ihre Erkenntnisse helfen die Chemie an der Grenzfläche besser zu verstehen, die maßgeblich durch die spezifische Anordnung der Wassermoleküle bestimmt wird. Die Studie zeigt, dass besonders ein bisher vernachlässigter Parameter von grundlegender Bedeutung ist: der Wasser-Twist­win­kel.

Wasser ist das wohl wichtigste Molekül auf der Erde. Grenzflächen von Wasser spielen eine entscheidende Rolle bei zahlreichen Prozessen in der Physiologie, an der Meeresoberfläche und in der Atmosphäre. Bei diesen Prozessen bestimmt vor allem der unglaublich dünne Wasserbereich direkt an der Grenze ihr Verhalten. Entscheidend ist, dass allein die Existenz der Grenzfläche die Molekülstruktur des Wassers stört und spezifische Anordnungen sowie ein verändertes Netzwerk aus Wasserstoffbrücken erzeugt, was zu grundlegend geänderten Eigenschaften des Wassers in dieser Schicht führt. Obwohl diese einzigartigen Strukturen den Kern vieler Grenzflächenphänomene bilden, ist ihre Charakterisierung enorm schwierig.

Der Grenzflächenbereich des Wassers ist unglaublich dünn (~8 Å) und besteht nur aus etwa vier Schichten von Wassermolekülen. Unterhalb dieser Grenzschicht nimmt das Wasser seine regulären Eigenschaften an. Um Einzelheiten über die molekulare Struktur des Wassers in der Grenzschicht herauszufinden, müssen Forschende genau diese ersten vier Wasserschichten untersuchen und Informationen über die molekulare Anordnung in jeder einzelnen davon gewinnen. Bislang war die Realisierung entsprechender Experimente jedoch nicht möglich, sodass die genaue molekulare Struktur des Wassers in der Grenzschicht trotz jahrzehntelanger intensiver Forschung unbekannt bleibt.

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Wasser in Grenzen

Das Forschungsteam am Fritz-Haber-Institut meisterte diese Herausforderung mithilfe seiner kürzlich entwickelten tiefenaufgelösten Schwingungsspektroskopie, bei der die Wasseroberfläche mit einer Kombination aus Infrarot- und sichtbaren Lasern bestrahlt wird, um nichtlineare Schwingungen in den Wassermolekülen anzuregen. Dabei entstehen zwei neue Laserstrahlen mit unterschiedlichen Frequenzen im sichtbaren Bereich, die Summen- und Differenzfrequenzsignale, SFG und DFG. Durch die Ausnutzung kleiner Unterschiede in der Phase und Amplitude dieser Signale gelang es dem Team, präzise Tiefeninformationen zu gewinnen und die Schwingungssignale aus dem Grenzflächenbereich des Wassers zu isolieren. Die resultierenden Spektren wurden anschließend mit umfangreichen Computersimulationen des Teams der FU Berlin kombiniert, um ein klares Bild der Ausrichtungen der Wassermoleküle im Grenzflächenbereich zu erhalten.

Mithilfe dieses kombinierten Ansatzes und ihrer neuartigen experimentellen Technik konnten die Forschenden zeigen, dass die Wassermoleküle in den ersten vier Schichten eine sehr klar definierte Anordnung annehmen, bei der sich die Kipp- und Twistwinkel der Moleküle von Schicht zu Schicht abwechseln. Der Kippwinkel ist dabei als Winkel zwischen dem Wasserdipol und der Oberflächennormalen definiert, während der molekulare Twistwinkel eine Drehung um die Dipolachse beschreibt. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse konnte das Forschungsteam zeigen, dass die gängige Strukturanalyse von Grenzflächenwasser, in der die Moleküle als „nach oben oder unten“ gerichtet beschrieben werden, weitgehend unzureichend ist. Sie heben die Bedeutung der bislang vernachlässigten, tiefenabhängigen Verteilung des molekularen Twistwinkels an der Grenzfläche zur Luft hervor. Dies führt zu einem revidierten Bild von der Struktur des Wassers an Grenzflächen, was wichtige Auswirkungen auf unser Verständnis der Vorgänge an wässrigen Grenzflächen hat. [FHI / dre]